MATERIALES METLICOS. GRUPO A y B

CDIGO: 80000215 CLASE: Obligatoria

CURSO ACADMICO: 2010/11

DEPARTAMENTO: Arquitectura y Construccin Navales

CURSO: Segundo

CICLO: Primer Ciclo

TIPO Semestral (Primer Semestre)

CREDITOS TOTALES: 6 o PRCTICOS: 3 o TERICOS: 3

PROFESORADO

Da Blanca Parga Landa Dra Ing. Naval Prof. Titular

Profesor para colaborar en las Prcticas de Laboratorio

ASIGNATURAS PREVIAS

Slo es posible la correcta asimilacin del programa si previamente se han cursado las siguientes asignaturas:

Qumica

Ciencia y Tecnologa de los Materiales

Fsica General I

OBJETIVOS

Que el alumno asimile y retenga el contenido del programa, sepa relacionar los conceptos y resolver casos prcticos sencillos. Que conozca el control de calidad exigible a buques de acero. MTODO DE EVALUACIN DE ASIGNATURA

La realizacin de las prcticas de Laboratorio y la superacin del Examen de Prcticas es condicin necesaria para aprobar. Examen escrito sobre la teora y problemas

MTODO DE EVALUACIN DE PRCTICAS

Las prcticas se impartirn en funcin de los alumnos matriculados preferiblemente en grupos de 10 personas. Es necesaria la asistencia a la prctica y la entrega de una memoria. Su evaluacin se realizar mediante Examen de Prcticas. Slo podr presentarse a Examen de Prcticas quien haya realizado las prcticas. ACTIVIDADES EXTERIORES Posible visita a una instalacin de fabricacin o tratamiento

PROGRAMA

PRIMERA PARTE: CONCEPTOS

Tema 1 Materiales de Ingeniera y sus aplicaciones. Materiales metlicos. Clasificacin en funcin del disolvente.

Standares internacionales (ASTM, AISI). Propiedades de los metales y aleaciones. Comparacin con otros materiales.

Ventajas y desventajas de los materiales metlicos.

Tema 2 La estructura de los metales. Macroestructura. Microestructura. Repaso estructura cristalogrfica. Propiedades

independientes de la microestructura. Propiedades dependientes de la microestructura.

Tema 3 Energas de los metales. Repaso de los conceptos de fase, sistema homogneo, solubilidad, sistema

heterogneo. Condiciones termodinmicas de equilibrio. Regla de las fases. Sistemas de un nico componente.

Sistemas binarios son solubilidad total, con solubilidad parcial. Reacciones eutctica, peritctica, eutectoide. Repaso

Diagrama de equilibrio Fe-C; Diagramas Fe-Cr; Fe-Ni.

Tema 4 Condicin para que un sistema evolucione espontneamente. Fuerza motriz de un cambio de fase. Cintica de

un cambio de fase.

Tema 5 Introduccin a las leyes de Fick. Transformaciones con difusin. Solidificacin. Nucleacin. Transformaciones

martensticas o de desplazamiento. Diagramas TTT.

SEGUNDA PARTE: ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES INDEPENDIENTES Y DEPENDIENTES DE LA

MICROESTRUCTURA

Tema 6: Propiedades independientes de la microestructura: rigidez, densidad, punto de fusin, calor especfico,

coeficiente de dilatacin trmica.

6.1 Rigidez. Slido indeformable y slido deformable. Comportamiento de un material metlico sometido a cargas:

Comportamiento elstico, plstico; rotura frgil, rotura dctil. Constantes Elsticas. Matriz de rigidez y de flexibilidad de

un material metlico. Ecuaciones Constitutivas. Tensores Hidrosttico y Desviador. Rigidez y Mdulo de Young.

Mtodos de medida del mdulo de Young. Datos. Influencia de la temperatura en el mdulo de Young. Prdida de

rigidez a altas temperaturas de metales y aleaciones. Modelos aceros al carbono y aceros inoxidables. Ejercicios

prcticos.

6.2. Densidad. Punto de Fusin. Calor especfico. Coeficiente de dilatacin trmica

Tema 7: Propiedades Dependientes de la microestructura: Propiedades Resistentes. Propiedades Dctiles.

7.1.Conceptos. Curva Tensin-Deformacin nominal. Lmite elstico (yield stress). Lmite de fluencia al 0,1 o 0,2%

(Proof Stress 0,1 o 0,2%) Resistencia a la traccin. Deformacin de rotura. Estriccin. Valores exigidos por las

Sociedades de Clasificacin segn el tipo de acero. Curva tensin deformacin real. Criterios de agotamiento de

materiales dctiles (Von Mises, Tresca). Modelos de comportamiento de materiales metlicos a tensiones superiores al

lmite elstico (Ramberg Osgood, Hollomon).

7.2. Medida de las propiedades resistentes y dctiles.

7.2.1. Ensayos destructivos. El ensayo de traccin. Normativa aplicable a la probeta y al equipamiento (EN, UNE,

Sociedades de Clasificacin). Descripcin de la probeta. Ley de Barba: Probetas proporcionales. Zonas de las que se

extrae una probeta de traccin. Observacin de un ensayo de traccin. Conformidad ensayo segn normativa EN y

Sociedades de Clasificacin. Obtencin del lmite elstico, resistencia a traccin, deformacin de rotura, estriccin.

Puntos de inspeccin en un ensayo de traccin. Valores de lmite elstico y resistencia a la traccin exigidos por las

sociedades de clasificacin para los distintos aceros.

7.2.2. Ensayos no destructivos. Durezas: Brinell, Rockwell, Meyer, Vickers. Correlaciones dureza-resistencia

Aplicaciones a la construccin naval de ensayos de dureza: Mapas de dureza ASME IX. Otras aplicaciones:

Determinacin de la capa de cementacin en un eje. Descarburacin.

7.3. Repaso tipos de defectos en materiales metlicos (puntuales, lineales superficiales). Influencia en las propiedades.

Medida del tamao de grano.

7.4. Mecanismos de deformacin plstica a temperaturas de servicio inferiores a 0.3 Tm: Deslizamiento de

dislocaciones. Maclado

7.5. Mecanismos de aumento de resistencia en metales y aleaciones.

7.5.1. Solucin slida.

7.5.2. Transformaciones en estado slido: a) endurecimiento por dispersin de precipitados, caso prctico: aleaciones

aluminio serie 2000. b) endurecimiento por deformacin, caso prctico aceros al carbono laminados. c) transformacin

martenstica, caso prctico acero templado d) Endurecimiento por afino de grano. Ley de Hall-Petch. Aceros con alto

contenido de manganeso al Niobio. Ejercicio prctico: Variacin del lmite elstico de aceros para distintos tamaos de

grano ASTM. Variacin resistencia y ductilidad en aceros laminados; eliminacin de la acritud.

7.6. Mecanismos de deformacin a temperaturas superiores a 0.3 Tm. Creep.

7.6.1. Introduccin. Temperatura de fusin. Definiciones. Ensayos de creep: bajo carga constante; a temperatura

constante. Modelos de creep estacionario.

7.6.2. Difusin de tomos intersticiales y vacancias. Difusin en fronteras de grano. Difusin alrededor de

dislocaciones.

7.6.3. Mecanismos de creep. Trepado de dislocaciones. Difusin en fronteras de grano; difusin en el interior del cristal.

Mapas de Ashby de mecanismos de deformacin. Influencia del tamao de grano. Datos de materiales.

7.7. Variacin de las propiedades resistentes y dctiles de metales en funcin de la temperatura y la velocidad de

deformacin. Temperatura de transicin dctil frgil. Caso prctico: Comportamiento de aceros ferrtico perlticos

condiciones criognicas y frente a cargas a velocidades medias de deformacin (slamming) y altas (impacto).

Comparacin aceros austenticos, aluminio.

Tema 8: Otras Propiedades Dependientes de la microestructura: Estudio de la tenacidad y de la rotura de materiales

metlicos.

8.1) Bajo condiciones de carga estticas o dinmicas no cclicas.

8.1.1. Introduccin. Evolucin de los criterios de diseo en construccin naval. Definiciones: Energa absorbida hasta la

fractura, tenacidad, sensibilidad de entalla, material con comportamiento dctil, material con comportamiento frgil.

8.1.2. Mecanismos de fallo en un material dctil: fallo por plasticidad, fallo por fractura. Criterios de fallo por plasticidad:

criterio energtico; criterio basado en el CTOD.

8.1.3. Ensayos de impacto: El ensayo Charpy. Ventajas e inconvenientes de este ensayo. Definiciones: energa

absorbida hasta fractura en el ensayo Charpy. Caractersticas del pendulo Charpy. Caractersticas de las probetas,

zona de la plancha soldada de la que se extraen y ubicacin de la entalla (metal de aportacin, ZAC, metal base).

Tolerancias de probeta y en la entalla. Discrepancias en funcin de la direccin de laminacin. Medida de la superficie

cristalina y superficie dctil. Exigencias para la realizacin del ensayo a temperaturas inferiores a 20C. Puntos de

inspeccin. Curvas energa Charpy vs temperatura de aceros ferrtico perlticos, aceros austenticos, aleaciones de

aluminio, aceros de alta resistencia y otras aleaciones metlicas. Energa requerida en ensayo Charpy a distintas

temperaturas para aceros de uso naval.

8.1.4. Ensayo CTOD. Definiciones. COD. CTOD. Exigencias del ensayo. Exigencias de la probeta. Casos en los que

actualmente se exige en construccin naval. Valores mnimos exigidos para el crack tip opening displacement crtico.

8.1.5. Mecanismos de fallo en un material frgil. Modos de propagacin de una fisura. Tasa de liberacin de energa.

Energa especfica de fractura. Criterio energtico de fractura. Tensin crtica de una plancha con una fisura de tamao

a. Tamao de fisura crtica. Factor de intensidad de tensiones. Tenacidad de fractura. Criterio de fractura basado en el

factor de intensidad de tensiones para una plancha de dimensin infinita con comportamiento elstico lineal hasta

rotura. Ensayo de tenacidad de fractura. Factores de intensidad de tensiones para otras condiciones de carga y otras

geometras. Problemas. Casos prcticos.

8.2) Bajo cargas cclicas. Estudio del comportamiento de materiales metlicos en fatiga.

8.2.1. Definiciones: tensin mxima, tensin mnima, tensin media, amplitud, rango, periodo, lmite de fatiga,

resistencia a fatiga. Curvas de Whler.

8.2.2. Aproximacin basada en la mecnica de la fractura. Estudio de los tres tipos de comportamiento exhibido hasta

rotura. Factores que influyen en dicho comportamiento. Ley de Paris. Comportamiento de distintas aleaciones en fatiga

da/dN vs K para distintos valores de R. Determinacin de la vida de un elemento. Caso prctico para una plataforma

petrolfera.

8.2.3. Introduccin a los modelos de acumulacin de dao.

TERCERA PARTE: METALES DE USO EN CONSTRUCCION NAVAL

Tema 9 Aleaciones Hierro Carbono Aceros al carbono (Definicin segn normativa europea). Tratamientos Trmicos.

Tratamientos mecnicos. Aceros al carbono TMCP. Aceros aleados (definicin segn normativa europea). Definicin

carbono equivalente. influencia de los elementos de aleacin en la temperatura y composicin del eutectoide. Aceros

HSLA, inoxidables austenticos, ferrticos, martensticos, austenoferriticos. Aceros Duplex. Aceros Duales. Fundiciones

Estudio microestructuras tipo

Tema 10 Aleaciones de aluminio. Aleaciones de aluminio. Aleaciones de uso naval: mtodos de endurecimiento.

Tema 11 Bronces Latones. Aleaciones de Titanio empleadas en ingeniera ocenica.

BIBLIOGRAFA BSICA Y MATERIAL DIDCTICO

(1) - Engineering Materials. Michael F. Ashby & David R.H. Jones. Pergamon Press. Vol. 1 y 2 (2) Materials Science for Engineers Van Vlack. Addison-Wesley Publishing 1970

(3) Application of Fracture Mechanics for Selection of Metallic Structural Materials Ed. J.E.Campbell; W.W. Gerberich; J.H. Underwood ASTM. 1982 (3 ejemplares en Biblioteca ETSIN). (4) G.E. Dieter: Mechanical Metallurgy. Mc. Graw-Hill. 1990. (5) - Phase Transformation in Metals and Alloys. D.A. Porter, K.E. Easterling. Ed. Van Nostrand Reinhold - International. 1988 (6) - Steels. Microstructure and Properties. RWK Honeycombe; HKDH Bhadeshia Edward Arnold 1995 (7) - Aceros Inoxidables Di Caprio Ed. Grupinox, 1999 Reglas de las Sociedades de Clasificacin: LRS, DNV, GL, BV, ABS